JP2006159747A - レーザ加工方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加工物に紫外域のレーザ光を１回走査するのみであり、後工程であるブレイク工程に好適のスクライブ線を形成し、耐久性に優れる製品たる基板を分断形成することができない。
【解決手段】 ブレイク力を作用させてスクライブ線に沿つて脆性材料製の基板３を分断するために、予め、紫外域のレーザ光Ｌを集光させて基板３に照射してスクライブ線を形成するレーザ加工方法であつて、基板３の同一個所をレーザ光Ｌによつて複数回走査し、前回の走査によつて形成したスクライブ線１１ａの底部に次回の走査によつてスクライブ線１１ｂを形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工方法及びその装置、特に紫外域のレーザ光を脆性材料製の基板に照射してスクライブ線を形成するためのレーザ加工方法及びその装置に関するものである。

従来のレーザ加工装置として、特許文献１，２に記載されるものが知られている。特許文献１に記載される加工装置を図５に示す。

特許文献１に示されるものは、赤外線レーザを用いるもので、図５に示すようにガラス６０に対して比較的高い吸収性を有する赤外線レーザ７４を楕円形状に整形させて照射し、レーザ照射部の後側近傍を冷媒７５（水性冷却剤）によつて冷却する。すなわち、予め、ガラス６０の切断したい部分に初期クラックを手作業にて作製し、その部分からレーザ７４を照射すると共に、照射部の後側近傍を液体（又は気体）からなる冷媒７５によつて冷却しながら、両者をガラス６０上で走査する。これにより、ガラス６０の内部の熱歪みによつて初期クラックが切断したい方向に進展し、ブラインドクラックを深さ方向に発生させスクライブ線７２（罫書き線）が形成される。スクライブ線７２の形成後、ガラス６０の裏面からブレイク力７３を作用させ、ブラインドクラックに曲げモーメントを付与することにより、ガラス６０が切断される。

また、特許文献２に記載されるものは、赤外線レーザに代えて、光子エネルギーの高い紫外域レーザを用いるもので、１つの紫外域のレーザをレンズで集光し、ガラス内部の分子結合を直接分断することにより、初期クラックを作ることなく、スクライブ線を形成する方法であり、冷媒の介在はない。なお、ブレイクには、機械的衝撃ではなく、赤外線レーザを用いている。この方法にあつては、スクライブ線の形成に際して紫外域のレーザによつてガラス体を昇華させ、蒸発・飛散させるので、削り屑のような後工程で障害となる塵等を発生させ難い、としている。
特開平９−１５０２８６号公報 特開平５−３２４２８号公報

特許文献１に記載されるものは、赤外線レーザを用いる切断方法であり、スクライブ線の開始部に初期クラを形成する必要があると共に、被加工物（ガラス）を移動させ、レーザを被加工物に沿つて１回走査させて、スクライブ線を形成するに過ぎない。加えて、赤外線レーザを用いる切断方法は、例えば交差するスクライブ線を形成しようとする場合、１つのスクライブ線を形成した後、次に交差するスクライブ線を形成しようとすると、交差する点においてスクライブ線の進展が難しくなるため、再度、交差する点に初期クラックを作らなければならず、作業が著しく煩雑になる。

特許文献２に記載のものは、紫外域のレーザ光を用い、脆性材料の基板（被加工物）にスクライブ線を形成する方法ではあるが、紫外域のレーザを被加工物の極表面に集光させて脆性材料を蒸散させると同時に、被加工物を移動させ、レーザを被加工物に沿つて走査させて、スクライブ線を形成するに過ぎない。

すなわち、被加工物には紫外域のレーザ光を１回走査するのみであり、後工程であるブレイク工程に好適のスクライブ線を形成することができない、という技術的課題が存在していた。

本発明者等は、その原因が次のようであることを知得した。すなわち、脆性材料製の被加工物である基板に紫外域のレーザ光を走査すると、紫外域のレーザ光の照射によつて昇華した脆性材料の成分が微粒子を含んで形成中の溝内に浮遊し、レーザ光を散乱させるため、溝の深部にまで達するレーザ光が減少し、溝の幅方向に進むレーザ光が増加する。その結果、断面Ｕ字状の浅いスクライブ線が形成されることになり、後のブレイク工程においてスクライブ線に沿う分断を良好に行い難くなる。高出力の紫外域のレーザ光を用いれば深いスクライブ線の形成が可能であるが、熱歪みを生じると共に基板の表面付近を損傷し、製品としての基板の耐久性を低下させることになる。

本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたもので、ガラスなどの脆性材料製の基板に吸収をもつ紫外域のレーザ光を用い、この光を過度の熱歪み及び損傷を生じない強度で基板表面付近に照射することで、アブレーション加工によつてスクライブ線を作成すると共に、複数回走査を与えることにより、基板表面付近の過度の熱歪み及び損傷に起因するクラックを抑制しつつ、スクライブの深さ方向の先端を深くかつ鋭利に加工することで、その後に行われるブレイクを容易にし、高品質の製品たる基板を歩留り良く製造するレーザ加工方法及びその装置を提供することを目的としている。

請求項１の発明は、ブレイク力を作用させてスクライブ線に沿つて脆性材料製の基板３を分断するために、予め、紫外域のレーザ光Ｌを集光させて基板３に照射してスクライブ線を形成するレーザ加工方法であつて、
基板３の同一個所を脆性材料に吸収を有するレーザ光Ｌによつて複数回走査し、
前回の走査によつて形成したスクライブ線１１ａの底部に次回の走査によつてスクライブ線１１ｂを形成することを特徴とするレーザ加工方法である。
請求項２の発明は、次回の走査によつて形成するスクライブ線１１ｂの幅が、前回の走査によつて形成したスクライブ線１１ａよりも狭幅をなしていることを特徴とする請求項１のレーザ加工方法である。
請求項３の発明は、レーザ光Ｌの集光点Ｏが、基板３の表面付近の内部にあることを特徴とする請求項１又は２のレーザ加工方法である。
請求項４の発明は、ブレイク力を作用させてスクライブ線に沿つて脆性材料製の基板３を分断するために、予め、紫外域のレーザ光Ｌを基板３に照射してスクライブ線を形成するレーザ加工装置であつて、
脆性材料に吸収を有するレーザ光Ｌを発振する発振装置１と、基板３と、レーザ光Ｌを集光させて基板３の表面付近に集光点を形成する集光レンズ２と、レーザ光Ｌと基板３との間に正逆に相対移動を与える駆動装置６とを備え、
駆動装置６によつて基板３をレーザ光Ｌに対して相対移動させながら、基板３の同一個所をレーザ光Ｌによつて複数回走査し、前回の走査によつて形成したスクライブ線１１ａの底部に次回の走査によつてスクライブ線１１ｂを形成することを特徴とするレーザ加工装置である。

独立請求項１及び４に係る発明によれば、基板の同一個所を紫外域のレーザ光によつて複数回走査し、前回の走査によつて形成したスクライブ線の底部に次回の走査によつてスクライブ線を形成するので、ガラスなどの脆性材料製の基板に吸収をもつ紫外域のレーザ光を用い、このレーザ光を照射することにより、基板に過度の熱歪み及び損傷に起因するクラックを生ずることを抑制しつつ、前回の走査によつて形成したスクライブ線の場合と同様のレーザ光を照射して、基板に過度の熱歪み及び損傷に起因するクラックを生ずることを抑制しつつ、前回の走査によつて形成したスクライブ線の底部に次回の走査によつてスクライブ線を形成することができる。

前回の走査によるスクライブ線と、その底部に形成した次回の走査によるスクライブ線とを有するスクライブ線は、深いスクライブ線として形成される。このような深いスクライブ線は、その後に行われるブレイクを容易にし、過度の熱歪み及び損傷に起因するクラックを生ずることを抑制したこととも相まつて、耐久性に優れる高品質の製品たる基板を歩留り良く製造することが可能になる。

深いスクライブ線が形成される理由は、上述したところである。すなわち、脆性材料製の被加工物である基板に紫外域のレーザ光を走査すると、紫外域のレーザ光の照射によつて微粒子の飛散を生じながら蒸発した脆性材料の成分が形成された溝内に浮遊し、レーザ光を散乱させるため、溝の深部にまで達するレーザ光が減少し、溝の幅方向に進むレーザ光が増加する。このため、熱歪み及び損傷を生じさせないように抑えた強度のレーザ光を照射して形成する前回の走査によるスクライブ線は、断面Ｕ字状の比較的浅いものとなるが、次回の走査によるスクライブ線は、前回の走査によるスクライブ線の底部に新たに形成する溝となり、結局、深いスクライブ線が形成される。このような深いスクライブ線は、レーザ光を集光させる構造を簡素として安定的に得ることができ、コスト低減にもつながる。

請求項２によれば、次回の走査によつて形成するスクライブ線の幅が、前回の走査によつて形成したスクライブ線よりも狭幅をなしているので、基板の同一個所をレーザ光によつて複数回走査して形成されたスクライブ線は、スクライブの深さ方向の先端を深くかつ鋭利に加工したものになる。

請求項３によれば、レーザ光Ｌの集光点が、基板の表面付近の内部にあるので、スクライブの深さ方向の先端を深くかつ鋭利に加工することが確実になされる。

図１〜図４は、本発明に係るレーザ加工装置の１実施の形態を示す。図１中において符号１は紫外域のレーザ光Ｌを発振するレーザ発振装置、２は基板上方にホルダー（図示せず）によつて支持され、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ、３は切断を実施するガラスなどの脆性材料製の基板、４は基板３を載置するためのステージ、５はレーザ発振装置１から出射される光Ｌの出力を調整するためのアッテネータ、６はステージ４をＡ方向及び反Ａ方向に正逆に移動させ、ステージ４上の基板３とレーザ光Ｌとに相対移動を与える駆動装置、１０は光路、Ｍ１〜Ｍ３はそれぞれ光路１０を調整するためのミラーである。レーザ光Ｌは、被加工物である基板３が吸収をもつ波長を有する。

レーザ発振装置１からの紫外域のレーザ光Ｌは、アッテネータ５によつて出力調整し、ミラーＭ１〜Ｍ３によつて適宜に光路１０を変換して集光レンズ２に通し、ステージ４上の基板３の表面付近、好ましくは表面付近の内部に集光点Ｏが生ずるように集光させる。ステージ４上の基板３は、図４に示すように集光レンズ２によつて集光されたレーザ光Ｌの集光点Ｏ位置が常に基板３表面から所定位置になるように、光軸に対して垂直に置かれることが望ましい。基板３表面付近の所定位置にレーザ光Ｌの集光点Ｏ位置を設定すれば、理論的には、基板３にＶ字状断面をなすスクライブ線１１を形成することができるので、基板３にＶ字状断面をなすスクライブ線１１を形成すべく所定強度のレーザ光Ｌを照射させる。

レーザ光Ｌを照射しながら、駆動装置６を駆動し、ステージ４を反Ａ方向に移動させれば、基板３の表面部がスクライブ予定線１２に沿つて線状に昇華し、一回の走査によつて単位面積当たりに所定の照射エネルギーを与える部分に第１のスクライブ線１１ａが形成される。第１のスクライブ線１１ａは、図３（Ａ）に示すようにＵ字状断面をなすように形成される。

基板３の一端から他端にまで第１のスクライブ線１１ａが形成されたなら、駆動装置６を逆駆動し、ステージ４をＡ方向に移動させる。これにより、第１のスクライブ線１１ａの底部に第２のスクライブ線１１ｂが形成される。二回目の走査による第２のスクライブ線１１ｂは、第１のスクライブ線１１ａの底部に第１のスクライブ線１１ａの幅よりも狭幅をなすように形成され、細く急峻な立ち上がりを示している。これは、ステージ４上の基板３の表面付近に集光点Ｏが生ずるように集光させるレーザ光Ｌが、第１のスクライブ線１１ａを反射を受けながら通過して基板３に照射されるようになる結果である。

このようにしてＹ字状断面をなすように第１のスクライブ線１１ａ及び第２のスクライブ線１１ｂが基板３に形成された後に、スクライブ線１１ａ，１１ｂ付近にブレイク力を作用させれば、基板３がスクライブ線１１ａ，１１ｂに沿つて分断される。ブレイク工程でのブレイク手段には、従来公知の手段の採用が可能であり、機械的衝撃、液体又は気体からなる冷媒による冷却、赤外線レーザ照射のいずれを用いることもできる。

第１のスクライブ線１１ａの作製のみで基板３を分断させることができる場合もあるが、そのためには、十分に高強度のレーザ光Ｌを照射することが必要である。しかしながら、高強度のレーザ光Ｌの照射に伴つて基板３の表面付近にクラックを生じ易い。また、第１のスクライブ線１１ａのみを作製した基板３を分断させるために作用させるブレイク力は、従来のダイヤモンドカッターなどによるＹ字状のスクライブ線を作製した場合と比較して、より大きくなり、ブレイク時に基板３を損傷する恐れがある。このため、適正強度のレーザ光Ｌの照射により、基板３の表面付近のクラックを抑制させながら、適正な大きさのブレイク力を作用させて分断することが可能になるように、２回の走査による２段のスクライブ線１１ａ，１１ｂを形成する意義がある。

２段のスクライブ線１１ａ，１１ｂを形成する具体的理由は次の通りである。基板３に紫外域のレーザ光Ｌを照射して第１のスクライブ線１１ａを形成する際、所定強度以上のレーザ光Ｌが照射される部分の基板３の材料が微粒子の飛散を伴つて蒸散し、溝をなすスクライブ線１１ａの内部に脆性材料の成分が浮遊し、レーザ光Ｌを散乱させる。このため、溝の深部にまで達するレーザ光Ｌが減少し、溝の幅方向に進むレーザ光Ｌが増加する。その結果、基板３にＶ字状断面をなすスクライブ線１１を形成すべくレーザ光Ｌを照射させた場合であつても、断面Ｕ字状の比較的浅い第１のスクライブ線１１ａが形成されることになり、後のブレイク工程において第１のスクライブ線１１ａのみに沿う分断が良好に行い難いものになる。

そこで、第１のスクライブ線１１ａを形成した後に再度、レーザ光Ｌを基板３の同一個所に照射して第１のスクライブ線１１ａの底部に第２のスクライブ線１１ｂを形成すれば、前回の第１のスクライブ線１１ａの内部に浮遊する脆性材料の成分が外部に飛散して減少した後にレーザ光Ｌが照射されることになり、次回の第２のスクライブ線１１ｂが前回の形成時と同様の蒸散作用によつて良好に形成される。また、紫外域のレーザ光Ｌを非常に小さい領域に集光させる場合、収差のない複合レンズを使い、焦点位置を正確に維持するオートフォーカス機能を付帯させる必要があるが、２回の走査によれば、第１のスクライブ線１１ａをＵ字状断面に形成した後に第２のスクライブ線１１ｂを形成するので、集光レンズ２として安価な平凸レンズ（単レンズ）を用い、オートフォーカス機能を省略して、安定的に所要深さのスクライブ線１１ａ，１１ｂを形成することができる。

複数回走査によるスクライブ線１１ａ，１１ｂを形成するためのレーザ光Ｌの強度、走査速度及び集光点Ｏ位置は同じとしても、次回のスクライブ線１１ｂが前回のスクライブ線１１ａの底部に形成され、全体として深いスクライブ線１１ａ，１１ｂが得られる。また、基板３の表面付近の同一位置に集光点Ｏが生ずるように集光させたので、次回のスクライブ線１１ｂは前回のスクライブ線１１ａの底部に接続して、次回の走査によつて形成するスクライブ線１１ｂの幅が、前回の走査によつて形成したスクライブ線１１ａの幅よりも狭幅をなす。特に次回の走査によつて形成するスクライブ線１１ｂの開口部ＨＢの幅が、前回の走査によつて形成したスクライブ線１１ａの開口部ＨＡの幅よりも狭幅をなしている。これは、スクライブ線１１ｂ，１１ａの開口部ＨＢ，ＨＡ付近での散乱光の方が深部での散乱光よりも少ないことも関係している。

ところで、上記１実施の形態にあつては、レーザ光Ｌの２回の走査によつて２段のスクライブ線１１ａ，１１ｂを形成したが、３回以上の走査によつて３段以上のスクライブ線を形成することも可能であり、前回の走査によつて形成したスクライブ線１１ａの底部に次回の走査によつてスクライブ線１１ｂを次々に細くより急峻な立ち上がりを示すように形成すればよい。２回目以降の走査でもレーザ光Ｌの散乱を生ずるため、第１のスクライブ線１１ａと同様に断面Ｕ字状のスクライブ線が形成されるが、基板３の表面付近の集光点Ｏに集光するレーザ光Ｌによつて、基板３の内部に向けて次第に細いスクライブ線が形成されるようになる。勿論、レーザ光Ｌによる各走査の間で、冷媒（水性冷却剤）による冷却や赤外線レーザの照射によるブレイク力の作用は行わない。

本発明の１実施の形態に係るレーザ加工装置を示す概略図。 同じくレーザ加工装置の要部を示す斜視図。 同じくスクライブ線を示し、図３（Ａ）は第１（前回）のスクライブ線を拡大して示す断面図、図３（Ｂ）は第１（前回）のスクライブ線及び第２（次回）のスクライブ線を拡大して示す断面図。 同じくスクライブ線の形成状態を拡大して示す説明図。 従来のレーザ加工装置を示す斜視図。

符号の説明

１：発振装置
２：集光レンズ
３：基板
４：ステージ
５：アッテネータ
６：駆動装置
１１ａ：第１のスクライブ線（前回の走査によるスクライブ線）
１１ｂ：第２のスクライブ線（次回の走査によるスクライブ線）
Ｌ：レーザ光
Ｏ：集光点

Claims (4)

1. ブレイク力を作用させてスクライブ線に沿つて脆性材料製の基板３を分断するために、予め、紫外域のレーザ光（Ｌ）を集光させて基板（３）に照射してスクライブ線を形成するレーザ加工方法であつて、
   基板（３）の同一個所を脆性材料に吸収を有するレーザ光（Ｌ）によつて複数回走査し、
   前回の走査によつて形成したスクライブ線（１１ａ）の底部に次回の走査によつてスクライブ線（１１ｂ）を形成することを特徴とするレーザ加工方法。
2. 次回の走査によつて形成するスクライブ線（１１ｂ）の幅が、前回の走査によつて形成したスクライブ線（１１ａ）よりも狭幅をなしていることを特徴とする請求項１のレーザ加工方法。
3. レーザ光（Ｌ）の集光点（Ｏ）が、基板（３）の表面付近の内部にあることを特徴とする請求項１又は２のレーザ加工方法。
4. ブレイク力を作用させてスクライブ線に沿つて脆性材料製の基板（３）を分断するために、予め、紫外域のレーザ光（Ｌ）を基板（３）に照射してスクライブ線を形成するレーザ加工装置であつて、
   脆性材料に吸収を有するレーザ光（Ｌ）を発振する発振装置（１）と、基板（３）と、レーザ光（Ｌ）を集光させて基板（３）の表面付近に集光点を形成する集光レンズ（２）と、レーザ光（Ｌ）と基板（３）との間に正逆に相対移動を与える駆動装置（６）とを備え、
   駆動装置（６）によつて基板（３）をレーザ光（Ｌ）に対して相対移動させながら、基板（３）の同一個所をレーザ光（Ｌ）によつて複数回走査し、前回の走査によつて形成したスクライブ線（１１ａ）の底部に次回の走査によつてスクライブ線（１１ｂ）を形成することを特徴とするレーザ加工装置。

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